一种磨削温度在线检测及纳米流体相变换热式磨削装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种磨削温度在线检测及纳米流体相变换热 式磨削装置。
【背景技术】
[0002] 骨磨削是神经和骨科手术的一个必不可少的程序，临床上常用高速微型砂轮去除 骨病理。然而，高速磨削产生大量的热，导致骨坏死和周围组织的热损伤，对组织的凝血功 能也有一定的影响，临床上常用生理盐水做冷却液减少热量的产生。磨削热损伤已经得到 临床上公认的关注，因为在磨削过程中不能确定温度从而不能控制热损伤的程度。Kondo等 人指出，在浇注式生理盐水冷却方式下，磨削热产生的最高温度仍会达到43°C，高于43°C 时，视神经就会受到损伤，严重时会导致失明。人体不同部位、不同组织所能承受的最高温 度也不同，例如，当温度高于临界值50°C时，骨头会出现不同程度的热损伤，从43°C起神经 就开始出现热损伤。涉及到骨磨削，面部瘫痪和股骨头坏死也是骨科手术中普遍存在的一 个问题。因此，在磨骨手术中，对温度的控制直接关系到手术的成败。
[0003] 在肿瘤的治疗中，热疗已成为继手术、放疗、化疗之后的一种全新的治疗肿瘤的 "绿色疗法"。目前，热辽中最迫切需要解决的是热剂量问题，即如何对肿瘤组织实施准确的 加热以使其达到临界温度而又保证正常组织不致收到损害。因此，精确地测量肿瘤部位的 温度是热疗装置的关键也是研宄的热点。目前用于工业过程、实验室或特殊的医疗用途的 温度测量仪器种类繁多，其中基于荧光技术和传感器技术相结合的光纤荧光温度传感器是 最为活跃的研宄和开发领域之一。光纤温度传感器灵敏度高、动态范围大、挠性好、构形灵 活，克服了红外测温仪容易受背景光干扰的缺点，适合在各种特殊场合下应用。当荧光物 质受到外部的光刺激时就会发射荧光，荧光余辉的衰变时间常数是温度的单值函数。因此， 可以利用荧光对温度的依赖性得出待测温度。刘兰书等人对高精度荧光光纤温度传感器进 行了深入而系统的研宄，验证了荧光光纤温度传感器应用于工程上具有较好的温度传感特 性。基于此，可把无毒无害且不含其它有害重金属元素或化学物质的荧光粉涂覆在医用磨 头上，通过荧光寿命测量系统测得磨削区温度。
[0004]由于骨磨削过程中砂轮的高速转动，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区。 目前，在临床骨磨削手术中常采用生理盐水滴灌冷却，能进入磨削区的有效冷却液少之又 少。相变换热技术的出现为小型低温医疗器械的发展带来了希望。相变换热式磨头由一空 心轴组成，可划分为蒸发段，绝热段和冷凝段，其空腔内具有初始的真空度，并充有适量的 工作液。当转速足够高时，工作液随磨头旋转并覆盖在磨头内空腔的内壁面上，形成一个环 形液膜。当磨头工作时，磨削区受热，该处的工作液将蒸发，液膜变薄，产生的蒸汽将流到磨 头的另一端。蒸汽在冷凝端放出热量凝结成液体，使液膜增厚。冷凝液在离心力分力的作 用下沿着内壁面返回到加热端。这样连续地蒸发、蒸汽流动、凝结与液体的回流，把热量从 加热端送到冷凝却端。陈旭等人通过对相变换热式磨头的等温性能、启动性能以及自身的 传热能力的评价，验证了相变换热式磨头设计的可行性和传热效果。
[0005] 在机械加工领域，基于生态及环保的要求，磨削加工中微量润滑（Minimum QuantityLubrication，简称MQL)技术成为当前研宄的焦点。然而微量润滑技术存在冷却 性能不足的缺点，使得其应用具有较大的局限性。在微量润滑基油中添加一定比例的纳米 粒子，改善射流整体的换热能力，同时提高油膜在磨削区的润滑效果的纳米粒子射流微量 润滑（Nano-particlejetMinimumQuantityLubrication,简称Nano-MQL)进入了人们的 视线。所谓的纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维尺寸小于IOOnm的超细微小固体颗粒。 纳米粒子射流微量润滑，在微量润滑的基础上，向磨削液中添加纳米级固体粒子，将纳米粒 子、润滑液与压缩空气混合经雾化后以射流的形式喷入磨削区进行冷却润滑。基于固体强 化换热理论，利用固体粒子导热系数远大于液体和气体的优势，在相同粒子体积含量下，纳 米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的固体粒子，将纳米粒子与磨削液混合后形 成纳米流体的导热能力将大幅度增加。纳米流体质量分数一般为2% -8%，将一定比例的 纳米粒子添加到基液中，形成纳米粒子悬浮液，然后根据基液的种类和理化属性，添加相应 的表面分散剂并辅以超声波振动，便可以获得悬浮稳定的纳米流体。将配置好的纳米流体 放入相变换热式磨头的空腔中，便能实现手术过程中降低磨削温度、减少对病人的二次伤 害的效果。
[0006] 磨头磨粒的性能对磨削温度也有很大影响。为了抑制磨削区产热，Toshiyuki用 普通金刚石磨头，附有SiO2的金刚石磨头和附有TiO2的金刚石磨头，通过对牛股骨进行磨 削实验发现，与普通金刚石磨头相比，附有SiO2的金刚石磨头在磨削初始可以略微降低磨 削温度和磨削扭矩，然后在一定时间后，磨削温度超过了阈值，并出现和普通金刚石磨头磨 削时一样的表面负荷。然而由于微米级TiO2颗粒的亲水性，附有TiO2的金刚石磨头显著降 低了磨削温度。
[0007] 在骨磨削过程中，速度与扭矩也是需要实时监测的参数。与低速磨削相比，高速磨 削可以降低磨削力，提高砂轮寿命，提高磨削效率，从而减少手术时间，扭矩则反映了砂轮 所承受的载荷的大小。余以道等人对高速转矩转速传感器进行了深入研宄。采用比相测量 原理，以激光头和反光条为信号发生器，验证了该传感器结构简单、性能稳定、测量误差小 的特性。
[0008] 经检索，已有专利号为ZL201310277636. 6的医用外科手术六自由度自动调节机 械臂磨削夹持装置，该装置公开了一种控制精确度高，可有效避免对脑组织的机械损伤的 技术。该机械臂磨削夹持装置具有3个旋转、3个移动共计6个自由度，可实现任意位姿的 颅骨外科手术操作，解决了传统的手持式手术装置工作空间大、手术操作难度高、手术效率 低、会给患者带来不必要的附加损伤的问题。该装置主要借助先进的手术器械来操作，用六 自由度自动调节机械臂以及安装在机械臂前端的夹持装置，在治疗效果、减轻痛苦、恢复周 期、医疗成本等方面具有明显优势。但是该装置没有磨削温度的检测装置，从而不能控制磨 削过程中温度的变化。
[0009] 专利号为ZL201310030327. 9的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨 削装置，公开了一种通过监测骨磨削的声发射信号来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的 磨削温度，从而有效避免对脑组织的热损伤的技术。在砂轮与壳体连接处设有声发射传感 器，通过信号分析处理模接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现 过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速。然而声波不能穿透骨组织，在穿过含气组织 时也会有明显损耗，从而影响疗效。此外，该装置没有对砂轮的速度和扭矩进行实时监测， 对病理骨的有效去除情况和砂轮所受载荷不能反馈控制。
[0010] 专利号为ZL201420565334. 9的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，包括微量 润滑系统，三自由度平台，电主轴旋转装置，电主轴、磨削力测量装置和磨削温度测量装置。 利用三根阶梯状分布的热电偶对磨削温度进行精确地测量，利用磨削测力仪对磨削力进行 测量，通过分析实验数据给临床实践提供指导。然而，在临床骨磨削手术中，手术区域的不 同，冷却液和冷却方式的不同，医师操作经验是否丰富都会造成实际与理论的差值。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种磨削温度在线检测及纳米流体相变 换热式磨削装置，它的控制精确度高，可有效避免对人体组织的损伤。
[0012] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] 一种磨削温度在线检测及纳米流体相变换热式磨削装置，包括壳体、磨削装置、动 力装置、传动装置、控制模块、温度测量模块以及速度和扭矩测量模块，其中，所述磨削装置 安装于壳体的前端，所述动力装置、传动装置、控制模块、温度测量模块以及速度和扭矩测 量模块安装于壳体的内部，磨削装置通过传动装置与动力装置连接，温度测量模块分别与 磨削装置和控制模块连接，速度和扭矩测量模块设置于传动装置的一侧，速度和扭矩测量 模块与动力装置均与控制模块连接。
[0014] 优选的，所述磨削装置包括磨头和磨头柄，磨头的后端固定在磨头柄上，且磨头与 磨头柄之间密封设置，其中，磨头的前端设置有若干磨粒，磨粒与磨头基体之间电镀有微米 级的TiO2，